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焚燒法作為綜合性能優(yōu)越的處理揮發(fā)性有機化合物(VOCs)技術,在目前國內VOCs治理形勢嚴峻的背景下得到廣泛應用。蓄熱催化氧化焚燒(RCO)因其先進的工藝技術,性能、經濟指標均優(yōu)于其他焚燒處理方式。通過數值模擬計算,比較了燃燒器改造前與改造后爐內溫度場分布情況,得出在燃燒器出口增設護火筒,并在護火筒上開一定數量規(guī)格的圓孔,可以解決前期實際工程案例中出現的催化劑高溫中毒問題,并在后續(xù)工程案例中得以成功應用。設計階段爐體設計參數按照蓄熱焚燒爐(RTO)進行,可以實現在使用中RTO/RCO雙模式切換,以達到不因為新技術應用風險影響上游裝置正常運行的目的。
隨著經濟快速發(fā)展，環(huán)境承受力日益削弱，滋生出一系列諸如光化學煙霧、酸雨、霧霾等環(huán)境污染問題。工業(yè)領域中大多數裝置運行時會無組織排放一些揮發(fā)性有機化合物(VolatileOrganicCom.pounds，VOCs)，對人類、環(huán)境帶來直接或間接的有害影響，例如感官刺激、黏膜刺激、致癌、光化學煙霧、臭氧層破壞等，并且表現出日益嚴重的態(tài)勢。因此，對VOCs的治理已在國內全面展開。
目前國內治理VOCs的方法主要包括焚燒法、膜分離法、吸附法、等離子體法、生物處理法等。其中焚燒法具有適應性強、處理效率高、投入成本低等優(yōu)點，被廣泛應用于各排放行業(yè)。國內技術已成熟的焚燒法包括直燃焚燒(ThermalOxidizer，TO)、催化氧化焚燒(CatalyticOxidizer，CO)、蓄熱焚燒(RegenerativeThermalOxidizer，RTO)，根據實際工業(yè)應用時的廢氣量、廢氣中有機污染物濃度以及廢氣中雜質對處理方式的影響等因素，選擇不同的焚燒方式處理。
一種基于催化氧化焚燒與蓄熱焚燒的新型處理方法———蓄熱催化氧化焚燒(RegenerativeCatalyticOxidizer，RCO)，綜合了催化氧化焚燒法催化氧化反應溫度低與蓄熱焚燒法蓄熱式回收熱能等優(yōu)勢，相對催化氧化焚燒法以及蓄熱焚燒法具有啟爐速度快、反應溫度低、節(jié)能效果好等特點。傳統(tǒng)二塔RTO因存在廢氣短路現象無法實現較高的VOCs去除率，改進后的三塔RTO增加了反吹環(huán)節(jié)，能夠避免廢氣短路。三塔RCO同樣可以避免廢氣短路現象，并可以在低濃度有機廢氣條件下與三塔RTO在同一設備上實現雙模式切換運行，2種模式均可滿足處理后煙氣達標排放。雙模式切換運行相對于RTO單一模式運行可以避免因催化劑失效而帶來連續(xù)停爐事故，在催化劑失效后可以通過調整局部結構在較短時間內應用RTO模式運行，以保證廢氣連續(xù)處理過程不受影響。
蓄熱焚燒與蓄熱催化氧化焚燒流程
三塔RCO與三塔RTO整體流程相似，不同之處在于是否填裝催化劑以及運行溫度水平(RCO運行溫度250～350℃;RTO運行溫度850～900℃)，三塔RTO在每個蓄熱室的蓄熱體上部填裝催化劑即轉換為三塔RCO。
初始狀態(tài)廢氣從A室進入，催化氧化處理后通過B室排出，同時C室執(zhí)行反吹動作;在一個切換周期后，廢氣從B室進入，催化氧化處理后通過C室排出，同時A室執(zhí)行反吹動作;在下一個切換周期后，廢氣從C室進入，催化氧化處理后通過A室排出，同時B室執(zhí)行反吹動作;下一個切換周期后循環(huán)至初始狀態(tài)。催化劑床層布置于蓄熱體床層上部，并通過格柵板與蓄熱體分層，留有空間監(jiān)測催化劑入口處溫度;燃燒器布置于頂部爐膛側墻中間位置;在蓄熱催化氧化爐內部設置3組(共9支)熱電偶，分別監(jiān)測蓄熱室底部溫度、催化劑入口處溫度、爐膛溫度，爐膛溫度參與控制、聯鎖，催化劑入口處溫度參與聯鎖，在溫度達到催化劑中毒溫度前聯鎖停車。
在催化劑中毒失效或達到使用壽命失效后，將催化劑以及催化劑支撐取出并局部重新保溫后即可實現從RCO切換到RTO模式運行。
工程應用實例
20萬t/aEO裝置生產過程中會產生一股CO2廢氣，廢氣量8820m3/h，其中含有微量的有機污染物，非甲烷總烴質量濃度理論數據為250mg/m3，直接排放無法滿足GB31571—2015《石油化學工業(yè)污染物排放標準》中對非甲烷總烴的排放要求。針對該股廢氣，在工程實踐案例中選用蓄熱催化氧化焚燒(RCO)爐型對其進行處理。選用某專業(yè)廠商某系列產品燒嘴用于初期升溫以及運行過程中的補燃;選用陶瓷載體貴金屬催化劑，提高反應速率，并在更短的停留時間內發(fā)生無焰燃燒反應。理論運行溫度250～300℃，運行溫度低意味著未給NOx的生成提供條件，不會因焚燒處理VOCs帶來二次污染。該蓄熱催化氧化爐其他設計參數均按照850℃進行，包括襯里材料以及襯里厚度的選型、蓄熱體填充量的計算、爐膛容積的校核等。在催化劑達到使用壽命后，可以局部調整氧化爐內部結構，切換至RTO模式運行，包括催化劑及其支撐結構的拆除、燃燒器出口處護火筒的拆除等。
國內近幾年應用RCO方式處理VOCs中出現的主要問題是由于燃燒器處火焰對催化劑的直接輻射導致催化劑容易超溫中毒失效。前期經過多方考察討論，通過數值模擬計算，得到了造成該短板的主要原因。由于三塔蓄熱爐處理小風量廢氣時受功率的限制，只能布置單臺燃燒器，考慮爐膛溫度場均勻分布，燃燒器需布置于爐膛側墻中間位置。該結構導致中間蓄熱室內催化劑上方受火焰直接熱輻射作用，一段時間后催化劑局部超溫中毒，致其失效，造成工程應用失敗。針對上述失敗原因，在設計過程中，調整燃燒器出口結構并結合數值模擬結果，在燃燒器出口處增設護火筒，有助于阻隔火焰對催化劑的直接熱輻射作用。
數值模擬結果顯示，使用整體護火筒時，因筒內局部溫度偏高，會造成護火筒選材困難;在護火筒頂部80°范圍內開設一定數量規(guī)格的圓孔有助于高溫火焰擴散，降低筒內局部溫度，既可以阻隔火焰的直接熱輻射，同時護火筒的選材使用310不銹鋼即可滿足要求。
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對比圖3和圖4的溫度分布可見：不開孔的護火筒內壁溫度約1300K，比開孔的護火筒內壁溫度(1100K)高約200K。產生上述溫度差異的原因主要是在開孔的情況下，護火筒內的高溫氣體(約2000K)可通過護火筒上的小孔直接與爐膛內的煙氣進行換熱;而在不開孔的情況下，護火筒內的高溫氣體先與護火筒進行換熱后，再經由護火筒與爐膛內的煙氣進行換熱，其換熱速率明顯低于開孔情況。因此，在選材上開孔的護火筒要求更低，且使用壽命更長，其設計更優(yōu)。
運行參數
由表1可見：3個溫度取中間值即依次為53.3，254.3，285.0℃。從爐內實際溫度場可以看出，廢氣在進蓄熱體前溫度為53.3℃，經過其中一個蓄熱室的蓄熱體后預熱到254.3℃，比催化起始反應溫度250℃高，進入催化劑床層開始無焰燃燒，溫度升高至285℃，再經過另一個蓄熱室的催化劑床層完全催化氧化處理并達標排放。實際運行結果為入爐廢氣溫度41.3℃，排煙溫度72.8℃，與蓄熱體理論計算結果吻合。投入廢氣連續(xù)運行168h后，經環(huán)保部門取樣監(jiān)測，非甲烷總烴入口質量濃度為208mg/m3，焚燒處理后在煙囪取樣口監(jiān)測出口質量濃度為0.14mg/m3，非甲烷總烴去除率達到99%以上，未監(jiān)測出NOx，滿足GB31571—2015《石油化學工業(yè)污染物排放標準》中各項指標要求。
結論
1)RCO焚燒處理方式綜合了催化氧化焚燒法催化氧化反應溫度低與蓄熱焚燒法蓄熱式回收熱能等優(yōu)勢，具有啟爐速度快、反應溫度低、節(jié)能效果好等特點。
2)在燃燒器出口處增設護火筒，并在護火筒頂部80°范圍內開一定數量規(guī)格的圓孔可以避免催化劑超溫中毒失效，并能夠實現連續(xù)穩(wěn)定運行。
3)襯里材料以及襯里厚度的選型、蓄熱體填充量的計算、爐膛容積的校核等均根據RTO參數設計，可以在局部調整內部結構后，實現一臺爐子雙模式切換運行。
（來源：能源化工） 作者：孟建強 曹楓
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